低環(huán)境溫度空氣源熱泵能效標(biāo)準(zhǔn)分析
低環(huán)境溫度空氣源熱泵能效標(biāo)準(zhǔn)分析
王派李敏霞馬一太王飛波
（中低溫?zé)崮芨咝Ю媒逃恐攸c(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津大學(xué)熱能研究所）
摘要京津冀地區(qū)大氣污染問題突出，為實(shí)現(xiàn)治理霧霾和節(jié)能減排目標(biāo)，京津冀開始無(wú)煤化行動(dòng)。低環(huán)境溫度空氣源熱泵經(jīng)過十多年的研究和試制，已經(jīng)取得成功，并在京津冀等地規(guī)模應(yīng)用。本文重點(diǎn)研究低環(huán)境溫度空氣源熱泵名義工況下COP和綜合部分負(fù)荷值，即IPLV（H）；并通過具體算例，利用熱力學(xué)完善度分析相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)下的IPLV（H），可供今后制定有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)參考。
關(guān)鍵詞低環(huán)境溫度空氣源熱泵；能效標(biāo)準(zhǔn)；IPLV（H）
1京津冀地區(qū)“煤改電”現(xiàn)狀
京津冀地區(qū)大氣污染問題相對(duì)突出，2016年優(yōu)良天數(shù)比例為56．8％，比全國(guó)平均比例低22個(gè)百分點(diǎn)；重度及以上污染天數(shù)比例為9．2％，為全國(guó)平均水平的3．5倍；12月份發(fā)生5次大范圍重污染天氣過程。2016年11月15日至12月31日京津冀區(qū)域PM2．5濃度為135g／m3，是非供暖期濃度的2．4倍，該時(shí)期占全年時(shí)間的12．8％，對(duì)全年P(guān)M2．5貢獻(xiàn)達(dá)到24．4％[1]。
目前研究表明，煤炭低效分散燃燒是我國(guó)霧霾形成的主要原因之一。為實(shí)現(xiàn)徹底治理霧霾和節(jié)能減排目標(biāo)，京津冀開始了“無(wú)煤化”行動(dòng)。
2015年12月，京津冀三地環(huán)保部門簽署了《京津冀區(qū)域環(huán)境保護(hù)率先突破合作框架協(xié)議》。2016年7月25日，天津市出臺(tái)《天津市貫徹落實(shí)〈京津冀大氣污染防治強(qiáng)化措施（2016－2017年）實(shí)施方案》，按照通知要求，到2017年，天津市PM2．5年均濃度應(yīng)達(dá)到60gg／m3左右，其中，武清區(qū)、寶坻區(qū)、薊縣分別達(dá)到或低于全市平均水平[2]。
數(shù)年來(lái)，北京郊區(qū)等地已有的實(shí)踐表明，“煤改電”的替代裝置主要是空氣源熱泵。2016年底北京郊區(qū)已有18．9萬(wàn)戶家庭作為一期試點(diǎn)安裝空氣源熱泵，11月8日正式供熱。天津緊跟“煤改電”的步伐，于2016年11月15日完成武清區(qū)空氣源熱泵的招標(biāo)，并開始了安裝工作。
“煤改電”工作在各級(jí)政府的積極推動(dòng)下，生產(chǎn)廠家努力創(chuàng)新制造，廣大用戶也在認(rèn)真配合，筆者相信“煤改電”一定能取得豐碩成果。當(dāng)然，節(jié)能減排永遠(yuǎn)是進(jìn)行時(shí)，在鞏固現(xiàn)有成績(jī)的同時(shí)，也應(yīng)該看到目前空氣源熱泵尚存在季節(jié)能效偏低等問題，需要在今后加以解決。筆者主要分析低環(huán)境溫度空氣源熱泵機(jī)組的綜合部分負(fù)荷性能系數(shù)，即IPLV。
2IPLV的由來(lái)
IPLV最初應(yīng)用于冷水機(jī)組。由于空調(diào)季節(jié)環(huán)境溫度的變化，冷水機(jī)組需要容量調(diào)節(jié)。冷水機(jī)組的供／回水溫度可以總是7℃／12℃，而環(huán)境溫度是變化的，冷負(fù)荷也是變化的，直接影響冷卻水的進(jìn)／出口溫度。機(jī)組的負(fù)荷調(diào)節(jié)可能是無(wú)級(jí)的，也可能采用分級(jí)的，例如螺桿式冷水機(jī)組的滑閥分級(jí)調(diào)節(jié)等。在美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)AIR550－1992 Centrifugal and Rotary Screw Water Chilling Packages中，針對(duì)冷水機(jī)組給出如下IPLV的計(jì)算公式：IPLV=0.17A+0.39B+0.33C+0.11D(1)式中：A，B，C和D分別為機(jī)組在100％，75％，50％和25％負(fù)荷時(shí)的COP值。其中系數(shù)0．17，0．390．33和0．11是依據(jù)以下幾個(gè)原則確定的：
1）計(jì)算方法：采用美國(guó)采暖、制冷與空調(diào)工程師協(xié)會(huì)（ ASHRAE）的Bin方法（根據(jù)某地全年室外干球溫度的逐時(shí)值，統(tǒng)計(jì)出一定間隔的溫度段（BIN）中的溫度在全年或某一期間所出現(xiàn)的時(shí)間（h），即溫度的時(shí)間頻率）
2）氣象參數(shù)：美國(guó)喬治亞洲亞特蘭大市
3）建筑類型：占所有建筑32％的辦公建筑1998年美國(guó)空調(diào)與制冷協(xié)會(huì)對(duì)ARI550－1992與ARI590－1992標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修訂并合并為ARI550／590-1998 Water Chilling Packages Using the Va
por Com pression Cycle］。在該標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)IPLV進(jìn)行了修正，計(jì)算公式如下：IPLV=0.01A+0.42B+0.45C+0.12D其中計(jì)算方法仍采用美國(guó)采暖、制冷與空調(diào)工程師協(xié)會(huì)（ ASHRAE）的Bin方法；氣象參數(shù)則是美國(guó)29個(gè)城市的加權(quán)平均。這29個(gè)城市冷水機(jī)組的市場(chǎng)份額在19706－1992年間占80％；建筑類型是所有建筑類型的加權(quán)平均另外，美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ARI550的1992版和ARI550／590的1998版中對(duì)于IPLV的計(jì)算公式在權(quán)重方面有所不同，A工況對(duì)應(yīng)系數(shù)由0．17變?yōu)?．01，這是由于計(jì)算樣本從亞特蘭大擴(kuò)展到美國(guó)29個(gè)城市我國(guó)參照1998年版的ARI550／590原則，于2005年頒布GB50189－2005《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》，通過大量計(jì)算分析，分別得到我國(guó)4個(gè)主要?dú)夂騾^(qū)（溫和地區(qū)除外）的標(biāo)準(zhǔn)辦公建筑的冷水機(jī)組部分負(fù)荷運(yùn)行時(shí)間分布和4個(gè)氣候區(qū)的IPLV系數(shù)值，給出我國(guó)冷水機(jī)組IPLV的計(jì)算公式，IPLW=0.023A+0.415B+0.461C+0.101D(3)到2015年根據(jù)建筑節(jié)能大量調(diào)查和數(shù)據(jù)分析，由于建筑節(jié)能的變化，25％負(fù)荷工況的時(shí)間（h）明顯增加，GB501892015《公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》?（已于2017年1月1日正式實(shí)施）的IPLV公式變化為V=0.012A+0.328B+0.397C+0.263D
(4)對(duì)于單元式空調(diào)機(jī)和空氣源熱泵設(shè)備，美國(guó)ANSI/ARI 210/240-2003 Per formance Rating ofUnitary Air-conditioners and Air-source HeatPump Eguipment?中給出IPLV的計(jì)算公式為EER,+EER2IPLV=(PLF1- PLF2EER2+ EER3(PLF,- PLF（PLF。－PLF／ER。1＋EERPLF. X EER
(5)式中：PLF是部分負(fù)荷系數(shù)，該系數(shù)由圖1中曲線得到。根據(jù)式（5），IPLV在100％，75％，50％和25％負(fù)荷下的EER的加權(quán)公式為IPLV=0.05A+0.3B+0.4C+0.25D
(6)根據(jù)曲線得到的不同負(fù)荷下的系數(shù)以及該負(fù)荷下的能效比就可以求得空氣源熱泵終端冷（熱）風(fēng)機(jī)組的IPLV。空氣源熱泵終端冷（熱）風(fēng)機(jī)組啟停比較頻繁，在部分負(fù)荷性能方面與大型冷水機(jī)組有所不同，這種思路包括部分負(fù)荷曲線圖1，曾被我國(guó)GB／T1887－2002《多聯(lián)式空調(diào)（熱泵）機(jī)組》直接采用綜上所述，IPLV反映了空調(diào)設(shè)備在夏季制冷變負(fù)荷時(shí)的綜合性能，雖然不同國(guó)家、不同時(shí)期4個(gè)加權(quán)系數(shù)不同，但基本上100％和25％負(fù)荷的加權(quán)系數(shù)較小，75％和50％負(fù)荷的加權(quán)系數(shù)較大。大型設(shè)備（離心機(jī)組、螺桿機(jī)組）100％負(fù)荷的加權(quán)系數(shù)僅1％～2％，小型設(shè)備（多聯(lián)機(jī)、單元式空調(diào)機(jī)）100％負(fù)荷的加權(quán)系數(shù)要大些。
圖1IPLV中的部分負(fù)荷系數(shù)[7]
3低環(huán)境溫度空氣源熱泵的COP和IPLV（H）
韓林俊等分析了低環(huán)境溫度空氣源熱泵的名義工況和IPLV（H）的評(píng)價(jià)方法。與以往標(biāo)準(zhǔn)中很少對(duì)熱泵性能有單獨(dú)的規(guī)定不同，2010年頒布的有關(guān)低環(huán)境溫度空氣源熱泵的標(biāo)準(zhǔn)中有IPLV（H）相關(guān)規(guī)定12。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定制熱名義工況的熱源側(cè)空氣干球溫度為－12℃，空氣濕球溫度為－14℃，使用側(cè)出水溫度為41℃。有關(guān)制熱IPLV（H）的測(cè)試條件見表1。按表1測(cè)試綜合部分負(fù)荷性能值IPLV（H）。熱泵在低溫工況（環(huán)境溫度－12℃／－14℃，出口水溫41C）下COP不低于2．1（戶用）或2．3（商用），北京地區(qū)IPLV（H）不低于2．4（戶用）或2．5（商用）。
有關(guān)IPLV（H）的應(yīng)用，可以形象地表示在圖中。冬季室外溫度與房間供熱負(fù)荷有線性關(guān)系，圖中曲線為實(shí)際工況下不同室外溫度所占比例，為便于監(jiān)測(cè)，可將其簡(jiǎn)化為A，B，C，D四個(gè)工況，即IPLV（H）的4個(gè)測(cè)試點(diǎn)，分別為100％負(fù)荷，75％負(fù)荷，50％負(fù)荷和25％負(fù)荷。各測(cè)試點(diǎn)所占的比例即為IPLV（H）的加權(quán)系數(shù)。IPLV的優(yōu)點(diǎn)，在于可以充分利用部分負(fù)荷有更高的COP，即通過容量調(diào)節(jié)和工況調(diào)節(jié)，提高部分負(fù)荷時(shí)的COP，提高熱泵的節(jié)能潛力。表2說
明了這一潛力，熱泵在75％和50％負(fù)荷下工作時(shí)
間占總時(shí)間的75％。
從北方大多數(shù)地區(qū)分析看，B＋C的時(shí)間比例的綜合部分性能系數(shù)貢獻(xiàn)最大。通過比較可知，IPLV（H）僅是名義工況COP占75％，而此時(shí)的環(huán)境溫度為－7～0℃，對(duì)熱泵
的1．14倍（戶用）和1．09倍（商用），明顯低于在制冷工況時(shí)的規(guī)律，IPLV通常是COP的1．2～1．3倍。目前還都沒有低環(huán)境溫度空氣源熱泵名義工況COP和IPLV（H）能效等級(jí)的要求。這是由于，標(biāo)準(zhǔn)在制訂時(shí)，基本反映的是2005年前后的水平，當(dāng)時(shí)是以能夠在低環(huán)境溫度下工作為主要目的，變?nèi)萘康男阅芴幱诔跫?jí)階段。經(jīng)過十多年的發(fā)展，目前技術(shù)水平，尤其是變頻壓縮機(jī)技術(shù)，已有較大提高，建議修訂標(biāo)準(zhǔn)中的參數(shù)。
4提高低環(huán)境溫度空氣源熱泵COP和IPLV（H）技術(shù)措施
目前，戶用低環(huán)境溫度空氣源熱泵的壓縮機(jī)主要是渦旋式壓縮機(jī)，也有滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)。商用低環(huán)境溫度空氣源熱泵因容量較大，主要采用多機(jī)頭的渦旋式壓縮機(jī)或滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)，也有螺桿式壓縮機(jī)。從最近的發(fā)展看，直流變頻或磁懸浮離心式壓縮機(jī)也會(huì)用于空氣源熱泵當(dāng)空調(diào)負(fù)荷為滿負(fù)荷時(shí)，直流變頻轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)和直流變頻渦旋式壓縮機(jī)的效率難分伯仲但是，在部分負(fù)荷時(shí)，例如冬季部分負(fù)荷工況都是室外環(huán)境溫度上升，要求的壓縮比也下降。在制冷工況下，不同控制方式的機(jī)組部分負(fù)荷性能如圖3所示。這個(gè)圖雖然來(lái)自大中型機(jī)組，但有關(guān)原理是通用的，也適合采用小型全封閉壓縮機(jī)的機(jī)組，只不過具體數(shù)據(jù)有所不同。通常渦旋式壓縮機(jī)是定壓比的，但出現(xiàn)了多種排氣方式克服“過壓縮”現(xiàn)象，而單機(jī)或雙轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)因可用排氣閥控制壓縮比，相當(dāng)于圖3中變頻＋可變V，具有較高的效率。這樣，在部分負(fù)荷工況時(shí)，使用單機(jī)或雙轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)的空調(diào)器可能比使用渦旋式壓縮機(jī)的空調(diào)器的SEER或IPLV（HI）有較高的值為適應(yīng)空氣源熱泵的需求，應(yīng)開發(fā)可變內(nèi)容積比螺桿式壓縮機(jī)，配合變頻電機(jī)，能夠獲得較高的IPLV（H）。在制冷工況下，直流變頻離心式壓縮機(jī)有著非常優(yōu)秀的部分負(fù)荷性能，變頻電機(jī)驅(qū)動(dòng)的離心式壓縮機(jī)的IPLV有明顯的上升，而采用磁懸浮離心式壓縮機(jī)的冷水機(jī)組越來(lái)越多。相信任何技術(shù)沒有停止發(fā)展，今后其他形式的變?nèi)萘俊嚎s比調(diào)節(jié)技術(shù)也可能會(huì)出現(xiàn)新的變化。對(duì)于商用低環(huán)境溫度空氣源熱泵，可以采用多機(jī)頭的渦旋式壓縮機(jī)或滾動(dòng)轉(zhuǎn)子式壓縮機(jī)，也可以采用螺桿式壓縮機(jī)，今后可能會(huì)采用磁懸浮離心式壓縮機(jī)，因此發(fā)展空間很大，需要專門論述，筆者暫不作深入分析。由上述IPLV的計(jì)算公式來(lái)看，提高IPLV的
圖3在制冷工況下不同控制方式的機(jī)組部分負(fù)荷性能
措施主要是提高部分負(fù)荷下制冷空調(diào)產(chǎn)品的能效比。由表3可以看出，部分負(fù)荷下熱泵系統(tǒng)是變?nèi)萘亢妥儔嚎s比運(yùn)行。而変壓縮比還有2個(gè)方面方面不同容量下的工作溫度不同，即冷凝溫度可隨環(huán)境溫度的上升而下降，可降低壓縮比；另一方面，由于容量變化，在較小容量輸出時(shí)需要的傳熱溫差可以變小，這影響壓縮比。壓縮機(jī)容量調(diào)節(jié)和控制方式是影響熱泵設(shè)備IPLV（H）的重要因素。
5空氣源熱泵名義工況的OOP和IPLV（HD能效分析在實(shí)際制冷（熱泵）循環(huán)中，存在多種不可逆因素導(dǎo)致的熵增。一部分機(jī)械能轉(zhuǎn)化為熱能，其中大部分耗散到環(huán)境中，導(dǎo)致系統(tǒng)循環(huán)效率下降將實(shí)際循環(huán)的熱力學(xué)第一定律的效率與相同工況下逆卡諾循環(huán)第一定律效率相比，就得出實(shí)際循環(huán)的熱力學(xué)第二定律效率。熱力學(xué)第二定律表述實(shí)際循環(huán)偏離理想循環(huán)的程度，或者是實(shí)際熱力循環(huán)接近完善的程度，可以稱為循環(huán)的完善度或熱力學(xué)完善度，可以表示實(shí)際循環(huán)裝置的用能效率水平。例如，當(dāng)熱泵出水溫度不同時(shí)，2種熱泵的COP不能直接作比較，但可以通過熱力學(xué)第二定律效率指標(biāo)進(jìn)行比較。機(jī)組1（直流變頻低環(huán)境溫度空氣源熱泵）的性能曲線，如圖4所示。.
圖4中出水溫度為35℃，而我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)GB／T25127《低環(huán)境溫度空氣源熱泵（冷水）機(jī)組》中規(guī)定出水溫度是41℃，要推算出水溫度為41℃時(shí)的IPLV（H）可用熱力學(xué)完善度方法。用環(huán)境溫度和出水溫度建立逆卡諾循環(huán)，求出逆卡諾循環(huán)的IPLV（H），因?yàn)闊崃W(xué)完善度具有一致性，可推導(dǎo)出41℃時(shí)的IPLV（H），為3．31。結(jié)果如表4所示同樣如果已知機(jī)組2在55℃出水時(shí)的COP與IPLV（H），如表5所示，通過熱力學(xué)完善度可計(jì)算出水溫度為41℃時(shí)系統(tǒng)的COP及IPLV（H）機(jī)組3在出水溫度為40℃C時(shí)，適用于水地暖輻射供暖末端機(jī)組COP如表6所示，通過熱力學(xué)完善度可計(jì)算出水溫度為41℃時(shí)機(jī)組的COP和IPLV（H）。
目前，我國(guó)還沒有低環(huán)境溫度空氣源熱泵名義工況COP和IPLV（D能效等級(jí)的劃分方法和標(biāo)準(zhǔn)等，但有些產(chǎn)品，特別是變頻壓縮機(jī)組，已經(jīng)具有較高的IPLV，由于各自的設(shè)計(jì)指標(biāo)和運(yùn)行參數(shù)等不盡相同，如何評(píng)價(jià)和比較其能效等指標(biāo)，無(wú)從下手為鼓勵(lì)研發(fā)部門和生產(chǎn)企業(yè)努力攻關(guān)和采用先進(jìn)技術(shù)，推動(dòng)低環(huán)境溫度空氣源熱泵產(chǎn)品發(fā)展，應(yīng)立即著手對(duì)低環(huán)境溫度空氣源熱泵名義工況COP和IPLV（H）的能效標(biāo)準(zhǔn)預(yù)測(cè)開展研究。
基于相關(guān)熱力學(xué)完善度理論，并參考若干產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和應(yīng)用實(shí)測(cè)值等，對(duì)于戶用空氣源熱泵名義工況下（A工況），其1級(jí)能效、2級(jí)能效和3級(jí)能效（入門級(jí)）COP值依次建議為2．6，2．4和2．2。對(duì)于綜合部分負(fù)荷值IPL（H），其1級(jí)能效、2級(jí)能效和3級(jí)能效（人門級(jí)）值依次為3．3，3．0和2．6。作為研究和應(yīng)用分析的參考，低環(huán)境溫度（戶用）空氣源熱泵的能效標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算值可參考表7所示數(shù)據(jù)。
6結(jié)束語(yǔ)
京津冀地區(qū)大氣污染問題相對(duì)突出，北方許多城市正在推廣“煤改電”，低環(huán)境溫度空氣源熱泵在我國(guó)得到大力發(fā)展。筆者重點(diǎn)分析了低環(huán)境溫度空氣源熱泵的綜合部分負(fù)荷值IPLV（H），提出提高空氣源熱泵COP和IPLV（H）的措施。通過具體算例，利用熱力學(xué)完善度分析相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)下的IPLV（H）。
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